HXD1型電力機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)

袁 璐，江偉波，史 熹，劉平正

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

0 引言

隨著總線技術(shù)與微機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代列車的控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為基于通信網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)。HXD1型電力機車是在我國引進德國西門子公司DJ4型機車的基礎(chǔ)上生產(chǎn)的干線交流傳動大功率貨運電力機車，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用了株洲中車時代電氣股份有限公司研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的DTECS系統(tǒng)。DTECS系統(tǒng)是基于TCN協(xié)議的分布式列車網(wǎng)絡(luò)通信與控制系統(tǒng)，采用模塊化的分布式控制技術(shù)，極大地減少了機車現(xiàn)場布線，提高了機車控制系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。

1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

HXD1型電力機車用于干線鐵路貨物運輸，設(shè)計最高牽引時速為120 km/h，機車采用兩節(jié)4軸機車固定編組，每節(jié)機車具有相同的拓撲結(jié)構(gòu)[1]。機車通信網(wǎng)絡(luò)采用基于IEC61375標準的兩級TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)：列車級和車輛級。列車級通信采用絞線式列車總線WTB，車輛控制級采用多功能車輛總線MVB.單節(jié)機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)，即分布采集及執(zhí)行，中央集中控制與管理的模式。由WTB/MVB網(wǎng)關(guān)模塊GWM、事件記錄模塊ERM、數(shù)字量輸入輸出模塊DXM、數(shù)字量輸入模塊DIM、模擬量輸入輸出模塊AXM和智能顯示單元IDU等組成，通過MVB與傳動控制單元TCU、輔助變流器控制單元ACU、制動控制單元BCU等智能設(shè)備進行通信，同時系統(tǒng)為機務(wù)信息化和列車供電等設(shè)備預(yù)留了通信接口。整個機車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓撲圖如圖1所示。

圖1 HXD1型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)示意

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

機車通信網(wǎng)絡(luò)采用二級總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，列車級采用WTB，車輛級采用MVB.

WTB總線主要用于實現(xiàn)重聯(lián)機車間的信息交換，采用兩路動態(tài)冗余（A線與B線），當其中一路出現(xiàn)故障時，另一路仍然可以進行信息的傳遞。其傳輸介質(zhì)為雙絞屏蔽線，傳輸速率為1 Mbps，可以實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸周期為基本周期的整數(shù)倍，傳輸數(shù)據(jù)的最大長度為128個字節(jié)。WTB總線上最多可鏈接連接22個節(jié)點，傳輸距離為860 m.WTB總線的最大特點是能自動組態(tài)，當總線節(jié)點發(fā)生改變時，能自動對節(jié)點進行編址。

MVB多功能車輛總線的傳輸速率為1.5 Mbps，用于連接機車內(nèi)部的各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其總線管理器位于低壓柜內(nèi)的機車控制單元CCU模塊內(nèi)，MVB總線可以用3種介質(zhì)進行傳輸：

1）ESD介質(zhì)，采用RS485的物理層進行傳輸，傳輸距離為20 m.

2）EMD介質(zhì)采用變壓器隔離的的雙絞線傳輸，傳輸距離為200 m.

3）OGF介質(zhì)，傳輸距離可以達2 000 m.

目前HXD1型機車采用ESD+介質(zhì)進行過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺由網(wǎng)關(guān)模塊GWM、事件記錄模塊ERM、數(shù)字量輸入輸出模塊DXM、數(shù)字量輸入模塊DIM、模擬量輸入輸出模塊AXM和智能顯示單元IDU等組成。

1.2.1 網(wǎng)關(guān)模塊GWM

GWM模塊作為MVB 5類設(shè)備，執(zhí)行WTB與MVB過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及車輛的中央控制單元功能，實現(xiàn)列車級以及車輛級的過程控制、總線管理以及數(shù)據(jù)通信功能。GWM模塊屬于整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的核心設(shè)備，采用冗余配置，正常工作時，兩個模塊均參與WTB總線數(shù)據(jù)通信，根據(jù)MVB主設(shè)備標識進行有效數(shù)據(jù)幀的篩選，實現(xiàn)兩節(jié)機車的重聯(lián)運行，當其中一個模塊發(fā)生故障時，能無縫切換至另外一個模塊，對機車的運行狀態(tài)無任何影響。相較于傳統(tǒng)的雙GWM+雙CCU的結(jié)構(gòu)，采用雙GWM配置，節(jié)省兩個CCU模塊，經(jīng)濟成本低，且無需配置WTB/MVB過程數(shù)據(jù)端口，過程數(shù)據(jù)實時性更高，MVB總線負荷率更低。模塊電氣接口如圖2所示。

圖2 GWM模塊電氣接口示意圖

其中X1與X3為TCN方向1的接口，X2與X4為方向2的接口，X5與X6為MVB接口，采用基于IEC61375標準的TCN總線標準；X7為兩芯電源接口，作為GWM模塊的110V直流電源的輸入端口；X9為RS232接口，可以直接與計算機的串口進行通信；X10為M12通信接口，實現(xiàn)邏輯軟件的在線監(jiān)視，軟件的更新等功能。

1.2.2 事件記錄模塊ERM

ERM模塊為機車運行狀態(tài)記錄、故障記錄的核心設(shè)備，能記錄司機的操作狀態(tài)，機車全過程運行狀態(tài)，進行故障診斷，將GWM模塊產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)具體化，并通過司機顯示屏IDU報告給司機，ERM面板電氣接口與GWM一致，能通過X10接口將記錄的數(shù)據(jù)下載，供給地面分析軟件進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)以及ERM記錄容量，每節(jié)機車采用1個ERM配置。

1.2.3 模擬量輸入輸出模塊AXM

AXM模塊用于采集并輸出車載網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的模擬量，如司控器級位、電壓傳感器以及電流傳感器等，并能進行車輛儀表驅(qū)動。模塊包含6路模擬量輸入，其中2路為電壓型，4路為電流型；3組對外供電電源，分別為DC+15V，DC-15V，DC+24V三種，4路模擬量輸出，其中1路為電壓型，3路為電流型；對外通信接口為MVB，放置于司機室內(nèi)，用于采集司控器級位。電氣接口如圖3所示。

圖3 AXM模塊電氣接口示意圖

其中X1，X2為MVB通信接口，X3位模擬量的輸出接口，X4為RS232接口，X6為25芯接口，提供對外電源供電。根據(jù)車載模擬量數(shù)量，每節(jié)機車配置1個AXM模塊。

1.2.4 數(shù)字量輸入輸出模塊DXM

DXM模塊實現(xiàn)車載數(shù)字量狀態(tài)信號的采集處理和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制指令的輸出，如繼電器開關(guān)狀態(tài)，壓力開關(guān)狀態(tài)等。DXM模塊具備16路輸入，8路輸出，通道類型采用光耦隔離，16路輸入通道全部共地。當外部輸入電壓為0～35 V時為邏輯“0”，輸入電壓為58 V～110 V時為邏輯“1”。通道能識別最高20 Hz采樣頻率。DXM模塊電氣接口如圖4所示。

圖4 DXM模塊電氣接口示意圖

其中X1，X2為MVB通信接口，X3為48芯數(shù)字量輸入輸出接口，X4為25芯帶地址線的電源接口。根據(jù)HXD1型車載數(shù)字量的數(shù)量以及布線考慮，司機室布置1個DXM模塊，機械間布置7個DXM模塊。

1.2.5 數(shù)字量輸入模塊DIM

DXM模塊主要實現(xiàn)車載數(shù)字量狀態(tài)信號的采集處理，是一個純數(shù)字量采集單元，具有32路數(shù)字量輸入采集通道，通道類型、高低電平識別、最高采樣頻率均與DXM模塊一致，該模塊主要應(yīng)用于數(shù)字量采集需求遠多于輸出的應(yīng)用環(huán)境以到達節(jié)省模塊降低成本的目的，DIM模塊電氣接口與DXM模塊一致，如圖5所示。

圖5 DIM模塊電氣接口示意圖

根據(jù)HXD1型車載數(shù)字量輸入采集需求核算，司機室配置一個DIM模塊，機械間配置一個DIM模塊。

1.2.6 司機室顯示單元IDU

IDU是HXD1型電力機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的終端設(shè)備，是司機和維護人員操作電力機車的窗口，實現(xiàn)電力機車的人機交互功能，通過MVB網(wǎng)絡(luò)接收到其它設(shè)備的信息，并以適當形式顯示在液晶顯示屏上；同時IDU還提供輸入接口，通過MVB網(wǎng)絡(luò)將指令傳送至其它設(shè)備，完成數(shù)據(jù)信息交換，IDU界面功能如圖6所示。

圖6 IDU界面功能分布圖

IDU上電啟動后，自動執(zhí)行到顯示程序“主界面”，通過“主界面”可以通過觸摸或者按壓薄膜按鍵選擇：“主要數(shù)據(jù)界面”、“牽引數(shù)據(jù)界面”、“參數(shù)配置界面”、“診斷界面”、“維護界面”、“機車狀態(tài)”、“定速按鍵”等；“主要數(shù)據(jù)界面”下，通過觸摸或者按壓薄膜按鍵可以進入“溫度界面”、“網(wǎng)絡(luò)拓撲界面”等，每節(jié)機車配置一個IDU屏[2]。

2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制功能

機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)列車級和車輛級的控制功能。主要有以下控制功能：機車的主電路邏輯控制、機車牽引/制動特性控制、輔助系統(tǒng)的控制、制動系統(tǒng)相關(guān)功能控制、機車的重聯(lián)控制、過分相控制、定速控制等。

2.2.1 主電路邏輯控制

HXD1機車每臺機車配置一個主斷路器，一個受電弓，一個高壓隔離開關(guān)，主電路邏輯控制包含主電路相關(guān)接觸器控制、受電弓升弓、降弓控制、主斷路器控制、機車模式選擇（庫內(nèi)動車、輔機測試、正常模式）、高壓隔離開關(guān)控制、主斷硬件環(huán)回路控制、機車自動換端控制、原邊電壓及電流的監(jiān)視、主變壓器油溫及油流的監(jiān)視等。

2.2.2 機車的牽引/制動特性控制

機車的牽引/制動特性控制主要包括以下功能：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)乘務(wù)員對主司控器手柄的操作實時地獲得乘務(wù)員需要機車發(fā)揮的牽引/制動力的值，然后綜合考慮機車當前工況（接觸網(wǎng)網(wǎng)壓、主變壓器油溫等因素）以及機車的牽引/制動特性曲線等因素計算出在該時刻機車的設(shè)定力的值；然后根據(jù)該時刻機車電機的實際工況將機車牽引/制動設(shè)定值按照一定的策略分配到每個電機上；最后每個電機以需要發(fā)揮的牽引/制動力為目標，按照一定的斜率上升或下降得到每個電機設(shè)定力的瞬時值，并將該設(shè)定力的瞬時值實時地發(fā)送給TCU，TCU以網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)要求的設(shè)定力為目標實時地控制每個電機發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所要求的牽引/制動力。

2.2.3 機車的輔助系統(tǒng)的控制

大功率配置有兩臺輔助變流器為輔助負載供電，正常情況下輔助變流器1以VVVF（變頻變壓）方式為牽引風機、冷卻塔風機等設(shè)備供電，輔助變流器2以CVCF（定頻定壓）方式為壓縮機、空調(diào)等設(shè)備供電。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)實際情況對輔助系統(tǒng)進行配置，輔助變流器1的工作頻率由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)主變流器的溫度、油溫以及牽引電機的溫度等因素綜合來決定。當一臺輔助變流器故障時，可以采用冗余模式用一臺輔助變流器以CVCF方式為所有負載供電。主要包括輔助系統(tǒng)接觸器控制、輔助變流器頻率設(shè)定、接觸器自檢等邏輯功能。

2.2.4 制動系統(tǒng)相關(guān)邏輯控制

列車制動力來自空氣制動和電制動。空氣制動由BCU控制實現(xiàn)，BCU安裝在制動柜中，BCU與CCU的控制指令及狀態(tài)信息通信通過車輛總線完成。涉及到的邏輯控制功能有制動機本補切換、BCU與CCU通信狀態(tài)監(jiān)測、制動指令監(jiān)測與傳輸、空氣制動與牽引封鎖相關(guān)邏輯、單獨制動管理、停放制動管理、懲罰制動管理、緊急制動管理、主壓縮機控制、輔助壓縮機控制、空電聯(lián)合管理、撒砂控制、踏面清掃、坡停啟動功能。

2.2.5 機車的重聯(lián)控制

HXD1型機車可以支持二機重聯(lián)。機車重聯(lián)時機車之間用WTB總線進行通信。機車的重聯(lián)控制主要完成以下功能：機車重聯(lián)編組主控制車與從控制車的確定，主控車通過WTB總線將控制命令發(fā)送給從控車從而使得從控車的操作與主控車步調(diào)一致，同時從控制車將本車相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)及故障信息反饋給主控車，主控車根據(jù)從控車的狀態(tài)進行列車級的牽引力分配及列車級的控制，使得從控車與主控車的運行工況一致。

其余相關(guān)的邏輯功能還有定速控制、自動過分相控制、無人警惕控制、軸重轉(zhuǎn)移控制等。

2.2 故障診斷與轉(zhuǎn)儲

機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有自診斷功能，自診斷信息可在司機顯示器上進行顯示。CCU收集并在故障數(shù)據(jù)庫中存貯列車的事件、故障和列車狀態(tài)的相關(guān)信息。與CCU有關(guān)的故障存儲在CCU內(nèi)，與TCU有關(guān)的故障存儲在TCU內(nèi)，影響機車運行和功能的故障信息在司機臺上通過智能顯示單元IDU顯示出來，并且可以上傳到地面維修和服務(wù)系統(tǒng)中，供長期的儲存和深入的地面分析。

故障的檢測分為車輛綜合故障的檢測和子系統(tǒng)故障的檢測，其中車輛綜合故障的檢測由機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)車輛綜合信息進行邏輯判斷，濾波后得到有效的車輛綜合故障信息。子系統(tǒng)故障一般說來由各子系統(tǒng)完成，機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對其有效性進行判斷。

機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的診斷功能可以協(xié)助司機和檢修人員進行工作。當故障發(fā)生時，協(xié)助司機采取適當?shù)牟僮鳎⑹咕S護人員更容易地查找并解決故障[3]。

如果列車發(fā)生故障，將以純文本信息在智能顯示單元IDU上顯示給司機，在IDU上，每條純文本信息都分配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進行故障評估。故障類別和純文本信息顯示在顯示器的界面上。此外，司機可以從顯示器上獲得他所必須實施的操作的指導(dǎo)說明。

控制系統(tǒng)記錄司機操作數(shù)據(jù)、機車運行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息、電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)于ERM中，并且可以通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)儲至PC機上，利用地面處理軟件對機車上述數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計等工作。

3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)RAMS設(shè)計

3.1 可靠性設(shè)計

系統(tǒng)的可靠性取決于組成系統(tǒng)的各個子部件的可靠性，為滿足網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備的可靠性性能，各設(shè)備在進行設(shè)計時，采取了大量的措施來執(zhí)行可靠性要求。

主要表現(xiàn)在如下方面：

1）模塊硬件的可靠性規(guī)范設(shè)計、電磁兼容設(shè)計；

2）多種冗余設(shè)計：通信電纜雙通道冗余、關(guān)鍵部件熱備份冗余、重要輸入信號冗余；

3）通信總線采用專用電纜及連接器，且與高壓電源保證一定距離；

4）采用全壓接電纜制作；

5）不同電壓等級電纜的安全距離；

6）盡可能的降低總線負荷。

3.2 可維護性設(shè)計

HXD1型電力機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以DTECS平臺為基礎(chǔ)，DTECS產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計，模塊集中安裝于低壓柜中，可以正面進行安裝維護，模塊安裝間距合理，可通過互換地址線對模塊的好壞進行測試，可維護性高[4]。另外，在司機室設(shè)置以太網(wǎng)接口，可以通過該接口對整車進行程序調(diào)試與升級以及故障數(shù)據(jù)下載等。機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模塊生命周期為8年，平均無故障運行時間為4萬小時，其硬件維護成本極低，產(chǎn)品平均維修時間為0.5 h.

3.3 可用性設(shè)計

DTECS系統(tǒng)中模塊電源的開斷均通過低壓柜上的電源開關(guān)進行控制，模塊地址通過地址線插頭進行標識，同型號模塊可以互換。系統(tǒng)中模塊可靠接地，減少人員觸電以及設(shè)備損壞的概率。并且有明顯標記提醒相關(guān)人員。

GWM模塊實現(xiàn)車輛控制以及網(wǎng)關(guān)功能，ERM模塊實現(xiàn)故障以及事件記錄功能，并且可以通過司機室對整車進行程序的調(diào)試及故障數(shù)據(jù)下載，極大地縮減了系統(tǒng)的硬件成本及維修時間。

整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用多種冗余設(shè)計，如設(shè)備間的雙通道冗余，關(guān)鍵信號冗余等，使得在當其中一個通道或者信號發(fā)生故障時，不影響機車的正常運行。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了HXD1型機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、控制功能以及RAMS方案設(shè)計，目前該機車已經(jīng)配屬集寧機務(wù)段、襄陽機務(wù)段、蘭州機務(wù)段等上十個機務(wù)段，批量近千臺，現(xiàn)場批量運用表明，機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能可靠，達到了用戶的要求。